東京科學研究所的科學家們最近宣佈在量子錯誤校正方面取得了重大突破，這一進展有望使大型量子計算機的實現更近一步。該團隊開發出一種新型的量子低密度奇偶檢查（LDPC）錯誤校正碼，這種碼的表現接近哈希界限，即量子錯誤校正的理論效率極限。項目負責人兼副教授的Kenta Kasai表示：「我們的量子錯誤校正碼的編碼率超過 1/2，目標是支持數十萬個邏輯量子位。」
他補充道，這種編碼的解碼複雜度與物理量子位的數量成正比，這對於量子計算的可擴展性來說是一項重大成就。量子計算機長期以來被認為能夠徹底改變量子化學、密碼學和大規模優化等領域。然而，由於量子位的脆弱性，其進展一直受到限制。
量子位通常會迅速失去狀態，並且具有短暫的相干時間。此外，閘操作和測量等操作會引入高錯誤率。目前的量子錯誤校正方法需要數千個物理量子位才能創建出一個邏輯量子位。而新開發的LDPC碼則設計為可以處理數十萬個量子位，這意味著在創建一個邏輯量子位時，浪費的物理量子位更少。
這種效率和可擴展性的結合，使得實現數百萬個邏輯量子位成為可能，這標誌著解決現實問題的重要一步。科學家們採用了攝影LDPC碼，這種設計在錯誤校正方面表現良好。此外，他們使用了仿射置換，這使得碼結構多樣化，避免了減慢解碼速度的模式。與僅僅使用二進制數學不同，他們採用了非二進制數學來攜帶更多信息並提高準確性。隨後，這些碼被轉換為Calderbank-Shor-Steane（CSS）碼，這是一種知名的量子錯誤校正類型。
為了解碼錯誤，他們創建了一種基於和-積算法的高效方法，這種方法能夠同時修正兩種類型的量子錯誤——位翻轉（X）和相位翻轉（Z）。舊有的碼通常只能一次處理一種類型的錯誤。即使在數十萬個量子位的情況下，他們仍然將幀錯誤率保持在10^-4的低水平，這一結果相當接近哈希界限，即理論上可能的最佳性能。
Kasai表示：「我們的量子LDPC錯誤校正碼有潛力使量子計算機能夠擴展到數百萬個邏輯量子位。」他指出，這將顯著改善量子計算機在實際應用中的可靠性和可擴展性，同時也為未來的研究鋪平道路。這項研究代表了朝著實用應用的容錯計算邁出了一大步，未來將惠及許多領域。Kenta Kasai教授得到了信息與通信工程系碩士生Kawamoto Daiki的支持。這項研究最近發表在《npj Quantum Information》期刊上。
